Vätedriven förbränningsmotor
Klarläggande av framtida hållbarhet
Alexander Lönnergård
Kandidatexamensarbete med inriktning fordonsteknik
SA105X
Kungliga Tekniska Högskolan
Stockholm, 2013-05-17
Abstract Today when new and harder demands on CO2 emissions are developed, vehicle manu-
facturers must work to develop new engine solutions to new kinds of fuels to replace
fossil fuels. A fuel that could be applied is hydrogen. When hydrogen is combusted only
water vapor occurs. Hydrogen is known to be explosive and flammable. These proper-
ties are both good and bad for combustion. The purpose of this study is to present the
problems and solutions that concern hydrogen as a fuel both inside and outside the
combustion engine.
The most common method of production is steam reforming of natural gas but produces
high CO2 emissions. There are eco-friendly methods using only water as a raw material,
but at the present they are expensive and need to be developed.
The biggest problem during combustion is abnormal combustion. The reason is that
hydrogen is sensitive to knock, have high flame velocity, low required autoignition en-
ergy and wide range of flammability. To avoid abnormal combustion and NOx, engines
can be run with a lean fuel injection strategy. This helps but the result is lower power
and torque output than the stoichiometric combustion.
Otto engine, both with port injection and direct injection, and diesel engine can run on
hydrogen. It turned out that direct injected otto engine gives the best efficiency, power
output and lowest NOx emissions. However, this requires high temperatures and pres-
sures that may contribute to short life length of components. Today's applications are
therefore using port injection. The diesel engine could have even better efficiency, but
because of high risk of abnormal combustion the engine only runs at low engine loads.
Modifications of the engines must be done, in particular new materials are needed be-
cause hydrogen embrittles steel.
Hydrogen is stored either as a liquid or as a compressed gas. Liquid hydrogen stores
more energy on board by volume relatively compressed hydrogen, but must be cooled
to - C. When the vehicle is not active hydrogen gas is formed and leak out. In order
to build a safe vehicle sensors are required to detect leaks.
The conclusion is that hydrogen is applicable as a fuel, but hydrogen alone would not
solve the fuel problems. Today the production capacity of hydrogen is to low, more eco-
friendly production methods must be developed and new infrastructure to transport and
refuel hydrogen must be implemented. This could result in high costs for the society.
Sammanfattning Då det hela tiden ställs större krav på låga CO2-emissioner måste fordonstillverkarna
arbeta med att ta fram nya motorlösningar för nya bränslen. Ett bränsle som då skulle
kunna appliceras är väte. Då väte förbränns uppstår vattenånga. Väte är känt för att vara
explosivt och brandfarligt. Dessa egenskaper är både bra och dåliga vid förbränning.
Syftet med denna studie är att klarlägga de problem och lösningar som finns runt väte
som bränsle, både i och utanför förbränningsmotorn.
Den vanligaste framställningsmetoden är ångreformering av naturgas och ger höga CO2-
utsläpp. Det finns miljövänligare metoder med endast vatten som råvara, men de är i
dagsläget dyra och behöver utvecklas.
Det största problemet vid förbränning är onormal förbränning. Orsaken är att väte är
känslig för knackning, har hög flamhastighet, låg erfordrad självantändningsenergi samt
brett koncentrationsintervall för förbränning. För att undvika onormal förbränning och
NOx kan motorerna köras med en mager luft-bränsleblandning. Detta bidrar dock till
lägre effekt- och vridmomentuttag än vid stökiometrisk förbränning.
Ottomotor, både med insprutning via insug och direktinsprutning och dieselmotor kan
köras med väte. Det visade sig att med väte som bränsle är det direktinsprutad ottomotor
som ger bäst verkningsgrad, effektuttag och lägst NOx-emissioner. Detta medför dock
höga temperaturer och tryck som bidrar till att komponenter får kort livslängd. Dagens
tillämpningar använder därför insprutning via insug. Dieselmotorn skulle kunna få hög
verkningsgrad, men pga hög risk för onormal förbränning har motorn bara kunnat köras
vid låga varvtal och motorlaster vid tester som har gjorts. Modifikationer av motorerna
måste göras, framförallt nya materialval då väte försprödar bl. a. stål.
Väte lagras antingen i flytande eller komprimerad gasform
- . Då fordonet är inaktivt bildas vätgas
och läcker ut. För att kunna bygga ett säkert fordon erfordras sensorer för att lokalisera
läckage.
Slutsatsen är att väte är applicerbart som bränsle, men väte skulle dock inte ensamt
kunna lösa bränsleproblemen. Produktionskapaciteten av vätgas är i dagsläget liten, mer
miljövänliga produktionsmetoder måste utvecklas och ny infrastruktur för att transpor-
tera och tanka vätgas måste implementeras. Detta kan resultera i höga kostnader för
samhället.
Förord Rapporten presenterar mitt kandidatarbete i fordonsteknik vid Kungliga Tekniska Hög-
skolan i Stockholm. För att få full förståelse för rapportens innehåll kan det vara gi-
vande att ha en viss grundförståelse för förbränningsmotorteknik.
Genom projektets gång har rådgivning och diskussioner varit värdefulla. Stort tack till
handledare Per Risberg, forskare KTH och Annika Stensson Trigell, professor KTH.
Alexander Lönnergård
Innehållsförteckning
1 Inledning ................................................................................................................. 1
1.1 Bakgrund ........................................................................................................... 1
1.2 Syfte ................................................................................................................... 1
1.3 Målsättning ........................................................................................................ 1
1.4 Problemformulering .......................................................................................... 1
1.5 Avgränsning ...................................................................................................... 1
1.6 Lösningsmetoder .............................................................................................. 2
2 Väte .......................................................................................................................... 2
2.1 Framställning ..................................................................................................... 2
2.2 Elproduktion vs väteproduktion ....................................................................... 3
2.3 Produktionskapacitet ........................................................................................ 3
3 Motortyper .............................................................................................................. 4
3.1 Ottomotorn ........................................................................................................ 4
3.2 Dieselmotorn ..................................................................................................... 8
4 Onormal förbränning .......................................................................................... 10
4.1 Förantändning och baktändning .................................................................... 10
4.2 Självantändning ............................................................................................... 11
5 Förbättrande motorkomponenter .................................................................... 12
5.1 Tändstift ........................................................................................................... 12
5.2 Motorkylning .................................................................................................... 12
5.3 Smörjning ........................................................................................................ 12
5.4 Gasreglage ....................................................................................................... 13
5.5 Vevhus ............................................................................................................. 13
5.6 Material............................................................................................................. 13
6 Förvaring av väte ombord ................................................................................. 14
6.1 Gasform ........................................................................................................... 14
6.2 Flytande form................................................................................................... 14
6.3 Inmatning av väte till motor ............................................................................ 16
6.4 Tankning av väte ............................................................................................. 16
7 Säkerhet ................................................................................................................ 16
7.1 Sensorer ........................................................................................................... 17
7.2 Åtgärder ........................................................................................................... 17
8 Dagens lösningar ................................................................................................ 17
8.1 BMW Hydrogen 7 ............................................................................................. 18
9 Jämförelse mellan konventionell och vätedriven förbränningsmotor ..... 20
9.1 Utsläpp ............................................................................................................. 20
9.2 Prestanda och förbrukning ............................................................................. 21
10 Diskussion och slutsatser .............................................................................. 21
Referenser ............................................................................................................... 23
Bilaga 1, Insprutningshastighet ............................................................................... 27
Bilaga 2, Tryck som funktion av självantändningstemperatur .............................. 28
Bilaga 3, Typer och funktion av sensorer ............................................................... 29
Bilaga 4, Tekniska data: BMW Hydrogen 7 ............................................................. 30
Bilaga 5, Effekt/vridmomentskurva: BMW Hydrogen 7 .......................................... 31
Bilaga 6, NOx-utsläpp................................................................................................ 32
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Fordonsindustrin kämpar mot nya krav på mer miljövänliga och utsläppsfria fordon. En
stor del av detta arbete läggs på att bli mindre beroende av fossila bränslen, bensin och
diesel samt minska CO2-emissioner. Batteridrivna bilar och bränsleceller diskuteras som
lösningar, men även att använda konventionella motorer med andra bränslen. Då kan
väte vara ett bra alternativ. Väte kan ge betydligt billigare lösningar, då konventionell
motorteknik kan användas och det är känt att det fungerar. Väte ger inga som helst CO2-
utsläpp utan endast vattenånga. Det finns givetvis även problem. Framförallt är väte
brandfarligt och explosivt vilket medför många egenskaper som skapar bra förutsätt-
ningar för ett bränsle i förbränningsmotorer. Samma egenskaper frambringar dock pro-
blem t. ex. självantändning. Andra problem är t. ex. hur väte ska hanteras så väl ombord
på fordonet som i eventuella tankstationer och hur förbränningen i motorn ska fungera
på ett optimalt sätt. Forskningen har framförallt fokuserat mot hur en vätemotor ska
kunna användas i en vardaglig bruksbil. Detta genom att förbättra räckvidd, förbättra
säkerhet kring väte och få en pålitlig och långlivad motor.
1.2 Syfte
Syftet med detta arbete är att få mer förståelse för hur en vätedriven förbränningsmotor
kan fungera och vilka för- och nackdelar det medför.
1.3 Målsättning
Målsättningen är att göra en litteraturstudie där svar kan ges på hur vätemotorer över-
siktligt fungerar och hur de problem som finns kan lösas samt genomföra enklare be-
räkningar på vissa frågeställningar.
1.4 Problemformulering
Hur kan väte utvinnas och kan det göras på ett energisnålt sätt? Väte är känt för att vara
brandfarligt och explosivt. Hur kan detta lösas? Vilka motortyper kan användas och
vilka för- och nackdelar finns? Vilken verkningsgrad kan uppnås för motorerna? Vad
medför detta för typ av insprutningsstrategier? Klarar materialen som används i dagslä-
get av väte eller måste nya typer av legeringar användas? Hur kan väte förvaras ombord
på fordonet och vilken räckvidd kan uppnås? Hur är säkerhetsmedvetenheten och vilka
säkerhetslösningar finns? Vilka prestanda och utsläppsvinningar kan fås jämfört med
konventionella förbränningsmotorer? Vilka är dagens lösningar och vilka kompromisser
har gjorts?
1.5 Avgränsning
Kort projekttid medför fokusering på motortyper därmed mindre fördjupning i övriga
frågefrågeställningar. Observerbara tester kan inte genomföras, endast redan dokumen-
terade tester kan granskas.
2
1.6 Lösningsmetoder
Informationssökning i vetenskapliga- och motordatabaser. Enklare beräkningar görs i
MATLAB.
2 Väte
Väte är det lättaste och vanligaste grundämnet i universum. Vid förbränning av väte
bildas vattenånga. Det återfinns dock inte i atomform utan i olika molekylära föreningar
t. ex. vatten. Själv existerar väte som en två-atomig gas. Trots att väte är ett vanligt
ämne är det inte helt enkelt och energisnålt att framställa. För att väte ska kunna vara ett
bränsle för framtiden så gäller det även att framställningen är fri från CO2-emissioner.
Om framställningen påverkar miljön negativt fallerar filosofin kring väte som ett
bränsle med nolltolerans mot emissioner.
2.1 Framställning
I dagsläget framställs mestadels väte genom en industriell process. Väte kan utvinnas ur
en rad olika ämnen, t. ex. vatten, biomassa, biogas, vätesulfid, vilka är förnyelsebara
ämnen. Det går även att använda antropogent avfall (avfall gjord av människan), t. ex.
plast. Stora mängder fossila bränslen används även som råvara t. ex. naturgas, olja, kol
och kolväten. Det finns ett antal olika processer för framställning av väte. Några är mil-
jövänliga, men många bidrar till miljöfarliga utsläpp. Den metod som är vanligast,
mycket pga att den är billigast, är framställning genom ångreformering. Ångreformering
sker genom att vattenånga och metangas möts vid hög temperatur och splittrar naturgas.
Produkterna som bildas är vätgas och koldioxid, CO2. Det är dock ingen speciellt hög
verkningsgrad vilket bidrar till att ca 25% blir vätgas och resterande 75% blir CO2[1].
Denna typ av framställning kräver även stora mängder energi i form av el då framställ-
ningsprocessen kr [1,2,3].
Det pågår en utveckling för miljövänliga metoder av väte. Metoder som är förnybara är
vattensplittring, avkolning av kolväten, utvinning av väte ur avfall och biomassa samt
nedbrytning av vätesulfid. Problemet med dessa metoder är att de inte är helt utvecklade
än, men är på väg att slå igenom[4]. Det man tror på mest är vattensplittring som då helt
enkelt bildar vätemolekyl och syre. Problemet just nu är att det är en dyr framställnings-
process och verkningsgraden är relativt låg 60 – 70%[2]. En metod som är ett mellan-
ting mellan förnybar och inte, är att tillverka väte med hjälp av kärnkraftverk. Att kunna
använda överskottsvärme från kärnreaktorer och använda det vid sönderdelning av väte-
innehållande ämnen skulle kunna vara en bra lösning. Det bästa alternativet är då att
använda sig utav värmen i en termokemisk process för att splittra på vatten till väte och
syre. Då sker inga CO2-utsläpp. Detta ska enligt studier inte heller försämra elprodukt-
ionen nämnvärt. Det kräver dock modifiering av kärnreaktorer och kräver en relativt
stor ekonomisk investering. Ett annat problem är huruvida man ställer sig till att ha väte
i kombination med en kärnreaktor. Vid eventuell härdsmälta i kombination med väte
kan följderna bli farliga[5,3].
3
Väte kommer inte enbart från processindustrin. Vid framställning av kemikalier i ke-
misk industri kan väte bildas som en biprodukt. Ett effektivt sätt är då att ta tillvara på
detta väte istället för att tillverka nytt som ger ökad resursanvändning[2].
2.2 Elproduktion vs väteproduktion
Elproduktionen i Sverige genererar ca 20 gram CO2/kWh, Norden ca 100 gram
CO2/kWh och Europa ca 450 gram CO2/kWh[6]. Detta kan då jämföras med vätepro-
duktionen som ger att 1 kg väte ger 3 kg CO2. Snittförbrukningen för en elbil är cirka 2
kWh/mil[7]. Dagens elbilar är stadsbilar som är av mindre storlek därför kan inte för-
brukningen av en standardbil i Sverige ges då den är av större dimension. En viss upp-
fattning kan dock fås. Detta medför utsläppsemissioner på 900 gram CO2/mil i Europa,
200 gram CO2/mil i Norden och 40 gram CO2/mil i Sverige för elbilen. En BMW Hyd-
rogen 7 är en stor sedan och kan därför inte direkt jämföras med en liten elbil, men är
för tillfället det enda möjliga jämförelseobjektet. Dess förbrukning är ca 360 gram
väte/mil[8]. Utsläppet av CO2 var tre gånger större än vad vätemängden är. Detta ger
emissioner på 1080 gram CO2/mil. Detta betyder att om en elbil i Europa körs så är den
lika smutsig som den smutsigaste väteproduktionen. Däremot i Sverige så är elbilen
mycket mindre utsläppsbenägen än vätebilen pga att elproduktionen till stor del består
av vattenkraft och vindkraft.
2.3 Produktionskapacitet
För att väte ska kunna användas som bränsle måste det finnas tillräckligt mycket väte
för världens alla bilar. Det har gjorts en undersökning för EU 25, dvs. de 25 största län-
derna i EU. Där visar siffror att 2002 använde vägfordon i de 25 representerade länder-
na ca 12000 PJ/år vilket motsvarar 12000 miljarder MJ/år, se figur 1. Figuren visar hur
mycket energi transportsektorn använder och hur mycket komprimerad, CGH2 eller
flytande väte, LH2 som kan framställas. Den minsta möjliga uppskattningen av energi
som kan framställas för komprimerad vätgas och flytande väte är 14000 PJ/år respektive
13000 PJ/år[9]. Detta gäller om antingen bara vätgas eller enbart flytande väte produce-
ras i framtiden. Det skulle alltså täcka behovet av åtgången bränsleförbrukning för väg-
fordonen. Dock är bränsleförbrukningssiffrorna något gamla och dessutom så ökar anta-
let bilar i EU och världen. Dessutom är flera av metoderna för att framställa väte som
finns med i figur 1 under utveckling. Det ska tilläggas att dessa metoder är helt obero-
ende av fossila bränslen.
Dagens väteproduktionskapacitet kan jämföras med USA:s totala produktionskapacitet
av väte år 2006. USA är världen största väteproducent. Kapaciteten var på 11 miljoner
ton väte[10]. Energiinnehållet är beroende av tryck och aggregationstillstånd, vanligtvis
ca 141,86 MJ/kg för väte[11]. Detta betyder att:
6 1211 10 1000 kg 141,86 MJ / kg =1,5605 10 MJ 1561 PJ (2.1)
Slutsaten är att USA inte skulle klara av att föda EU:s energibehov för vägfordon, trots
full kapacitet.
4
Figur 1. Översikt över prognostiserad potentiell mängd energi bundet i väte för olika typer av framställningsmetoder
i framtiden[9].
3 Motortyper
Fördelen med väte är att konventionell teknik för en förbränningsmotor kan användas. I
dagsläget finns två typer utav intressanta förbränningsmotorer, ottomotorn och diesel-
motorn. Även fordon med Wankelmotor har tillverkats genom Mazda, men motor-
tekniken är ovanlig och utesluts därmed ur denna studie[12].
3.1 Ottomotorn
Vanligtvis används bensin som bränsle i ottomotorn. Dess arbetscykel har fyra takter
och antändningen med luft-bränsleblandningen sker elektrisk med ett tändstift. Det vä-
sentliga för ottomotorn i kombination med väte är insprutningsstrategin. Detta kan göras
på två sätt, antingen genom att bränsle-luftblandningen sker utanför förbränningskam-
mare och sprutas in via insuget eller att bränslet sprutas direkt in i förbränningskamma-
ren. Beroende på bl. a. insprutningsmetod varierar utsläppshalterna av NOx, dvs. olika
kväveoxider och verkningsgraden i motorn. Kväveoxiderna, NOx skapas då kvävgas
från atmosfären genomgår en upplösning, splittras i två atomer och sedan oxideras un-
der förbränningsprocessen[13]. En annan faktor för hur verkningsgraden kan förbättras
är vilken kompression som sker vid den andra takten. Allmänt gäller att ju högre kom-
pression som används desto högre verkningsgrad. Det som begränsar hur stor kompress-
ion som kan utnyttjas är temperatur och tryck i förbränningskammaren vilket kan leda
till värmeförluster och onormal förbränning, se kapitel 4. Vanligtvis kan en vätemotor
användas för kompression mellan 7,5:1 och 14,5:1[12].
Insprutning via insug
Här sker alltså bränsle-luftblandningen utanför förbränningskammaren, se figur 2.
5
Figur 2. Översikt för ottomotorcylinder med insprutning via insug[14].
Det konventionella sättet att visa luft-bränsleförhållande är λ. Då λ=1 är förbränningen
stökiometrisk vilket kan skrivas som[15],
2 2 22 2H O H O . (3.1)
När λ < 1 ökar mängden väte relativt luft och bidrar till väte i avgaserna och när λ > 1 är
det tvärtom. Det är bevisat att ju högre lufthalt desto lägre NOx-emissioner[12]. Emiss-
ionerna är noll då λ >2, vilket motsvarar dubbelt så mycket luft relativt väte, och störst
då λ =1,3. Värden kring λ =1,3 bör alltså undvikas, se figur 3. Med ökad andel luft kan
en kylande effekt fås och därmed minskad temperatur och tryck vilket medför minskad
sannolikhet för onormal förbränning och NOx, se kapitel 4. Det optimala bör då vara att
hålla λ >2, kallat mager (lean) bränsle-luftblandning, oavsett motorlast. När tester har
körts för mager blandning har den uttagna effekttätheten varit långt ifrån optimal och
verkningsgraden låg pga att väte har låg densitet och ju mer luft desto mindre energi.
Det skulle dock kunna vara en kompromiss för att uppnå lägre utsläppsemissioner[12].
Figur 3. Graf över NOx-emissioner relativt luft-bränsleförhållandet λ[12].
Fördelar: Extremt låga eller noll NOx-emissioner och därmed inget behov av katalysator
dessutom mindre risk för onormal förbränning
Nackdelar: Förhållandevis låg verkningsgrad och lågt effektuttag/energitäthet
Den andra insprutningsstrategin är stökiometrisk luft-bränsleblandning. Stökiometri är
då allt syre förbrukas och allt bränsle förbränns under förbränningen av luft-
6
bränsleblandningen[16]. Denna strategi bidrar till att effektuttaget blir nära vad en jäm-
förbar benisinmotor kan få ut teoretiskt, ca 86% av motsvarande bensinmotor[12]. Olä-
genheten är att en katalysator måste användas pga ökade NOx- emissioner, t. ex. treväg-
skatalysator, framförallt så ökar risken för onormal förbränning, se kap 4. För att lösa
problemet måste temperatur och tryck minskas vilket leder till minsta möjliga kom-
pressionsförhållande, 7,5:1. Detta leder till lägre verkningsgrad för motorn och därmed
högre väteåtgång och sämre effekt.
Fördelar: Högt effektuttag jämfört med insprutning via insug
Nackdelar: Högre halter av NOx vilket leder till behov av katalysator samt hög sanno-
likhet för onormal förbränning.
Det finns en metod för att kringgå de två strategiernas nackdelar och förena dess förde-
lar, nämligen att använda båda processerna samtidigt. Vid användning av mager (lean)
förbränning så erhålls lägre effekt och effekttäthet, men lägre emissioner. Alltså kan
detta användas då motoransträngningen är liten, t. ex. vid körning i konstant hastighet
på större vägar. När sedan lasterna ökar på motorn så används den stökiometriska stra-
tegin för att få högre effekt och vridmoment. Detta sker exempelvis vid acceleration
eller körning i tung terräng. Problemet med NOx kvarstår dock. För att minska utsläppen
vid stökiometrisk luft-bränsleblandning kan BMW:s metod studeras[17]. När BMW
hydrogen 7 kördes med enbart väte så användes strategin att blanda mellan mager och
stökiometrisk förbränning. När det behövde ändras till stökiometrisk förbränning så
gjordes inte det på alla cylindrar. Motorn kördes på så många cylindrar med stökiomet-
risk förbränning som krävdes för motorlasten och för att optimera utsläpp av emission-
er. Ett svårt moment med denna metod är att hålla nere NOx-värden vid kallstart och vid
de tillfällen som ändringen mellan mager och stökiometrisk förbränning sker. Lösning-
en på detta är att hålla katalysatorn varm men detta är inte möjligt om bilen har stått kall
utan tomgångskörning[17]. Ett annat problem med metoden är att det sätter stora krav
på motorstyrning då vridmoment ändras och insprutningstiden ändras. Gasrespons och
olika ventiler ändrar hastighet och lägen. Det sätter även krav på föraren som måste vara
beredd på förändringarna som även påverkar gasreglage och varvtal[8].
Direktinsprutning
Metoden går ut på att spruta in bränsle och luft separat direkt in i förbränningskamma-
ren, se figur 4. Man skiljer framförallt på två olika typer av direktinsprutning, tidig och
sen. Tidig direktinsprutning är då bränslet sprutas in precis i början av kompressionstak-
ten, precis då insugsventilen har stängt. Sen direktinsprutning är då bränslet sprutas in
precis innan kompressionsfasen avslutas och tändstiftet slår en gnista. Det finns även en
ovanligare metod kallad flertalig insprutning (multiple injection). Detta betyder att man
inte bara en gång per cykel sprutar in bränsle utan flera gånger. En stor fördel med di-
rektinsprutning är att det går att undvika förantändning av bränslet som leder till onor-
mal förbränning, se kapitel 4. För att undvika förantändning är det viktigt att styra in-
7
sprutningen för att minska tiden som bränsleblandningen t. ex. kan träffa varma punkter
i förbränningskammaren. Den bästa metoden för detta är sen insprutning. Om direktin-
sprutning med väte funkar idealiskt enligt de utsagor som gjorts ovan kan effekttätheten
öka med 19% jämfört med bensin för en identisk motor[12].
Figur 4. Översikt av ottomotorcylinder med direktinsprutning[18].
Problemet med sen direktinsprutning är att det är en väldigt kort tid som kan utnyttjas
till att få till en bra luft-bränsleblandning. Enligt tester behöver en motor ca 10 ms för
att få en homogen blandning, med tidig direktinsprutning är denna tid ca 20-4 ms vid
1000 till 5000 varv/min. Ju högre varvtal desto kortare tid. För sen insprutning är tiden
ännu kortare[19]. Nästa svårighet för direktinsprutning är trycket i förbränningskamma-
ren och hur mycket bränsle som ska sprutas in och under hur lång tid. Dessa två mo-
ment hör nämligen ihop. För att vätet ska flöda in i cylindern måste trycket vara lägre i
cylindern än utanför och beroende på trycket så sprutas vätet in med en viss hastighet
och därmed blir det olika långa insprutningstider beroende på bränslemängd och tryck.
Tryckförhållandet mellan trycket uppströms, pk dvs. utanför kammaren och nedströms,
p0 dvs. innanför kammaren, kan beräknas för strålar av gaser. Se formel (3.2)[12] för
beräkning av detta tryckförhållande av väte.
1,4
1 1,4 1
0
2 20,5283
1 1,4 1
k
kkp
p k
(3.2)
där k = polytropiska koefficienten = Cp/Cv = 1,4 där Cp = värmekapacitet vid konstant
tryck och Cv = värmekapacitet vid konstant volym[14]. Detta betyder att trycket ska vara
cirka dubbelt så stort utanför som inuti förbränningskammaren. Således krävs olika stor-
lekar på trycket i cylindern samt tryck i vätebehållaren, beroende på vilken typ av di-
rektinsprutning som används. För tidig direktinsprutning, ca 5 – 20 bar, sen direktin-
sprutning upp till 100 bar och för flertalig insprutning mellan 100 – 300 bar[12]. Ett
samband som har setts är hur verkningsgrad och NOx-emissioner hör ihop. Ju högre
verkningsgrad desto högre NOx. Tester visar att egenskaper för tidig respektive sen di-
rektinsprutning är följande; homogena luft-väteblandningar pga relativt lång tid för
blandningen att bli bra. Dessa blandningar närmar sig att bli stökiometriska och därmed
8
ger höga värden av NOx. Den andra metoden ger olika typer av luft-väteblandningar pga
att tiden är kort och det sker mer slumpmässigt hur homogen blandningen blir. Alltså
fås vissa delar av blandningen med höga bränslehalter och andra med mindre dvs.
magra blandningar. Detta betyder att man aldrig riktigt närmar sig kritiska λ = 1,3. Detta
medför att medelvärdet av NOx-emissioner är låga. Den sista metoden med flertaliga
insprutningar ger ännu bättre värden då både hög verkningsgrad och låga NOx-värden
har uppnåtts. Problemet här är dock detsamma som för sen direktinsprutning, nämligen
att tiden för att få en homogen blandning är för kort. När insprutning ska ske flera
gånger så blir tiden knapp. Detta har gjort att tester hittills bara har kunnat genomföras
på låga varvtal då tiden för luft-bränsleblandning är som längst[12]. Beräknad insprut-
ningshastighet för direktinsprutad fyrcylindrig motor, se bilaga 1.
Ett problem utöver insprutningstiden är de ökande tryck och temperaturer relativt in-
sprutning via insug som fås i förbränningskammaren. Detta och att väte är en liten mo-
lekyl medför att vid höga tryck och temperaturer så kan en del väte pressas igenom,
läcka ut genom de delar/material som vanligtvis används i en motor, t. ex. mellan kolv
och kolvring och ut i vevhuset. Den andra följden är att t. ex. insprutaren inne i cylin-
dern inte klarar av att utstå dessa tryck och temperaturer under speciellt lång tid, se ka-
pitel 5. I dagsläget klarar en insprutare ca 200 h[12] vilket inte är speciellt länge jämfört
med vad en bilägare förväntar sig att en motor ska hålla innan den behöver renoveras.
Fördel: Hög verkningsgrad och effekttäthet samt låga NOx-emissioner, bättre än in-
sprutning via insug.
Nackdel: Kort tid för att få homogen luft-bränsleblandning. För höga tryck och tempera-
turer i förbränningskammare leder till kort livslängd för komponenter och körning vid
låga motorlaster.
Direktinsprutning vs insprutning via insug
Jämförelse mellan direktinsprutning och insprutning via insug visar att direktinsprutning
har högre verkningsgrad och lägre NOx-emissioner. Om en förbränning med samma
motorlast observeras inträffar följande. När luft sugs in i förbränningskammaren i första
takten vid direktinsprutning så fås en konstant mängd luft varje gång väte sprutas in
efter att insugsventilen har stängts. I fallet med insprutning via insug så blandas väte
och luft utanför förbränningskammaren och därmed kan mängden luft i blandningen
variera något. Det är lättare att kontrollera då de två elementen tas in var för sig. Detta
betyder att i snitt fås mer luft i förbränningen med direktinsprutning och därmed en
magrare blandning som leder till högre volymetrisk verkningsgrad och lägre NOx-
värden.
3.2 Dieselmotorn
En annan vanlig motortyp är dieselmotorn. Den använder sig av direktinsprutning, men
istället för att antända bränslet med en gnista så antänds bränslet genom att i kompress-
9
ionsfasen skapa ett så pass stort tryck och temperatur att bränslet självantänder, se figur
5. Det som talar emot väte redan här är dess höga självantändningstemperatur som
minst är C[20], se bilaga 2, [21]. Fördelen med dieselmo-
torn jämfört med ottomotorn är att en högre verkningsgrad kan fås. Ett av problemen
med dieselmotorn är att antändningstemperaturen måste vara hög. Vid kallstart av mo-
torn måste då luft-bränsleblandningen värmas upp, men detta löses oftast med ett
glödstift.
Figur 5. Enkel översikt över dieselmotorcylinder[22].
Undersökningar har gjorts genom att använda väte istället för dieselbränsle. Ett test vi-
sade att en temperatur på 1100 K var tvunget att uppnås medan med diesel behövdes en
temperatur på 1000 K[23]. Alltså en 10% ökning av temperaturen, följaktligen måste
trycket ökas. Dessutom måste luft-väteblandningen innehålla 10% syre, vilket är en
minskning från nuvarande motorer, för att uppnå tillräckligt låga värden på NOx-
emissioner. Temperaturökning och minskad mängd syre kan uppnås genom att använda
EGR [23]. EGR (Exhaust Gas Recirculation) är ett sätt att återanvända en del av de av-
gaser som släpps ut och blanda igen med bränsle. Avgaserna är syrefattiga och leder
inte till förbränning utan nedkylning av förbränningskammaren. Med lägre temperatur
och lägre syrehalt fås lägre NOx-emissioner[24]. Problemet med dieselmotorn är knack-
ning. Provmotorer har därför endast kunnat köras på låga varvtal och motorlaster. Lös-
ningen på detta var att spruta in bränsle två gånger, precis i början av kompressionstak-
ten och sedan precis innan kolven har rört sig upp och kompressionen är färdig så spru-
tas mer bränsle in, även kallat pilotinsprutning. Detta ökar temperaturen och därmed
försvann i stort sett knackningen och förbränningen blev mer stabil. Det visade sig att
verkningsgraden blev cirka 44%. Motorn har ändå inte kunnat köras på varvtal eller
motorlaster som är relevanta för brukskörning[12].
Fördel: Hög verkningsgrad
Nackdel: Högt tryck och hög temperatur bidrar till knackning och ej brukbara varvtal
och motorlaster
10
4 Onormal förbränning Problemet med väte som ämne är att det är extremt brandfarligt och explosivt. Egen-
skaperna gör att det är svårt att kontrollera hur väte uppför sig under förbränningsfasen.
När luft och väte har blandats ska blandningen antändas precis då kompressionen är
klar. Detta är inte alltid fallet och onormal förbränning kan uppstå. Det som är specifikt
för väte är att det är brännbart över en bred koncentrationsskala. När något ska brinna
måste syre/luft finnas och väte brinner i en luft-väteblandning med en koncentration
mellan 4 – 75% väte, känd som knallgas[25]. Väte behöver därför relativt låg antänd-
ningsenergi samt har en hög flamhastighet. Antändningsenergin har bestämts till 0,017
mJ, när vätekoncentrationen är mellan 22-26%[12]. Flamhastigheten beskriver ett mått
på hur kontrollerad en förbränning är[26]. Problemet med onormal förbränning är att
förbränning sker vid fel tidpunkt, kontrollen över förbränningen minskar och därmed
kan temperatur och tryck drastiskt öka vilket sliter på komponenterna genom termisk
och mekanisk spänningar som kan bidra till exempelvis sprickor i blocken[12].
4.1 Förantändning och baktändning
Förantändning beskriver fenomenet då luft-bränsleblandningen antänds innan tändstiftet
gör en gnista som ska antända blandningen. Alltså när insugsventilen har stängt och
kompressionsfasen har börjat[27]. Förantändningen uppkommer pga andra typer av
energikällor. Källorna är av olika sort och sker helt slumpmässigt. Exempel på detta är;
varma punkter inne i förbränningskammaren, varma tändstift, varma avgasventiler och
smörjoljerester. Alltså allting som har en temperatur som är högre eller lika med vad
väte/luft har som självantändningstemperatur. Det har även gjorts tester som visar hur
ökning av trycket inne i förbränningskammaren ger större risk för förantändning[12].
Tryckökningen i sig beror bl. a. på överskottet luft i förbränningskammaren. Då för-
tändningsvinkeln ökar så ökar trycket. Denna vinkel är vevaxelvinkeln. Då kolven är i
sitt Enligt tester är risken störst för förantändning
- [28]. Om denna vinkel ökar för fort inträffar förantändning pga att trycket
ökar för snabbt och en temperaturstegring sker. Detta ökar även NOx-emissioner. Det
gäller alltså att ha en väl fungerande insugsventil så att mängden luft inte varierar. Då
väte är känt för att behöva låg antändningsenergi inträffar förantändning lättast då luft-
väteblandningen har stökiometrisk förbränning eller när motorn går på höga varv och
stora laster dvs. då temperaturen ökar i förbränningskammaren.
Baktändning är av ungefär samma princip som förantändning. Den stora skillnaden är
att baktändning sker då insugsventilen är öppen och insugningstakten börjar. Baktänd-
ning kan då inträffa både inne i förbränningskammaren och i insuget. Båda delar kan
skadas, framförallt insuget då detta inte har samma godsdimension som t. ex. cylin-
dern[12]. En intressant upptäckt är att förantändning och baktändning är nära besläktade
och beror ofta av varandra[28]. Detta då förantändningen inträffar i kompressionstakten.
Trycket byggs upp vilket orsakar högre temperaturer som ger varma punkter på kompo-
nenter och väggar. Sedan när en arbetscykel har gått och det är dags för första takten
11
igen dvs. insugning av luft-bränsleblandningen så kan baktändning uppstå. Detta pga av
att förantändningen kanske orsakade heta punkter plus att det blev en onormal förbrän-
ning vilket kanske ledde till att restgaser och liknande fanns kvar och då gjorde luft-
väteblandningen lättantändlig redan när insugsventilen var öppen. Baktändning inträffar
alltså då insprutning via insuget används. Vid direktinsprutning sugs endast luft in via
insuget.
För att undvika problem med förantändning och baktändning måste de källor som ger
upphov till antändningsenergi avlägsnas. Tändstift kan bytas, se kapitel 5. Tändsystemet
kan göras mindre känsligt för restladdningar och statisk elektricitet genom någon typ av
jordning eller isolering. Kylsystemet kan förbättras, se kapitel 5. Risken för förantänd-
ning och baktändning beror på vilken typ av insprutning som används. Direktinsprut-
ning är att förespråka då det blir en konstant mängd luft som sugs in vilket minskar ris-
ken för luftöverskott samt att väte inte finns i insuget. Det är även effektivt att använda
sig utav dieselmotor då det endast är temperturen som antänder bränslet. Det minskar
antalet antändningspunkter, t. ex. då inga tändstift finns[12]. Andra metoder är att för-
söka minska insugstiden, dvs. agera snabbare med insugsventilen, vilket bidrar till att
tiden blir kortare för att en förbränning ska kunna inträffa i insuget. Ett annat sätt är att
köra mager luft-bränsleblandning, dvs. ju lägre koncentration av väte desto svårare har
blandningen att antända[12].
4.2 Självantändning
”knackning” f f K
uppstår då endgaser självantänder innan den temperatur/flamfront som tändstiftet skapar
når dessa. Eftergaser är den luft-bränsleblandning som ännu inte har hunnit förbrännas,
se figur 6. Detta skapar ett förhöjt tryck och slår mot cylinderväggarna, vilket ger ifrån
sig ett knackande ljud[29]. Företeelsen uppstår framförallt med stökiometrisk blandning
och beroende på hur cylindern är konstruerad.
Figur 6. Knackning. Förbränning sker innan tändstiftet antänder luft-bränsleblandningen(sekundära flamfron-
ten).[30].
Oktantalet bestämmer hur bra ett ämne står emot knackning. Där oktantalet är relativt
kolvätet oktan. Ämnet oktan har värdet 100. Kommersiell bensin i Sverige har som lägst
95 oktan. Litteraturen säger att oktantalet för väte ligger på >130 oktan[31]. Detta kan
verka orimligt då metan har lägre oktanvärde än 130, ca 120, men är känd att vara tålig
12
mot knackning. Det finns dock en motsvarande skala för gaser som då utgår ifrån me-
tangas kallat metantalet. Värdet på den skalan är 100 för metan och 0 för väte[32]. Detta
betyder att väte är väldigt känslig för knackning. För att undvika knackning så är det
precis som tidigare väldigt effektivt med hög lufthalt i luft-bränsleblandningen, alltså
mager blandning[12].
5 Förbättrande motorkomponenter För att kunna använda väte, undvika onormal förbränning och använda olika insprut-
ningsstrategier måste vissa motorkomponenter förbättras i en konventionell motor. Mo-
difieringarna ger längre livslängd och pålitlighet hos motorn. Förutom komponenter
måste även materialen i motorn få andra egenskaper för att tillfredsställa kraven om
livslängd och pålitlighet.
5.1 Tändstift
För att undvika exempelvis förantändning eller självantändning och höga temperaturer
så kan kalla tändstift användas[33]. Tändstift finns i olika utföranden som uttrycks i
varma och kalla. Varma tändstift är mindre isolerade än kalla och tål därför lägre tempe-
raturer. Fördelen med varma är att temperaturen ökar till en viss gräns och är då själv-
rengörande, dvs. eventuellt sot bränns bort, dock är sannolikheten för förantändning och
därmed i längden baktändning stor. I en vätedriven ottomotor med antingen insprutning
via insug eller direktinsprutning är det alltså fördelaktigt med den kalla varianten. Dess-
utom behövs inte den självrengörande principen då inget sot förekommer i en vätemo-
tor. Det finns ju inget kol att förbränna. Problemen kan även minimeras genom att
minska avståndet mellan jordningselektrod och tändstiftsände på tändstiftet. Detta för
att minska spänningen bl. a. genom att ljusbågar inte kan uppträda i samma utsträck-
ning. Att minska avståndet är inget problem då sot inte uppstår, dock kan kallstarter
vara ett problem med kortare avstånd. Då vattenånga uppstår vid förbränning vilket kan
leda till att tändstiftet kondenserar[12].
5.2 Motorkylning
Varma punkter på cylinderväggarna är en vanlig källa till onormal förbränning. För att
undvika detta bör kylda avgasventiler användas och dessutom två stycken avgasventiler
för att inte all den varma avgasen ska pressas ut genom en ventil utan fördela avgaserna
och därmed värmen. En annan lösning är att öka mängden kylmedel och dess kanaler
runt cylindrarna. Slutligen kan varierande ventilöppningstid för insuget användas för att
vissa gånger få in mer ny luft som kommer utifrån och är kylande[12]. EGR kan vara ett
effektivt alternativ, se kapitel 3.2. Detsamma gäller avgasventilerna.
5.3 Smörjning
Smörjning av motorkomponenter är viktigt vid förbränning av luft-väteblandningar.
Väte är torr jämfört med flytande bränslen. Motorolja används för att smörja, täta, kyla,
minska korrosion samt rena. Korrosionsbeständighet är viktigt då vattenånga bildas vid
13
förbränning. Oljan måste då även vara kompatibel med vatten. Den oljetyp som kan
användas är syntetisk olja. Det finns idag inga motoroljor som är skräddarsydda för
vätemotorer. Detta bidrar till att oljans livslängd är betydligt kortare än vad den borde
vara och måste därför bytas ofta. Enligt ett test där en vätemotor kördes så blev oljans
egenskaper kraftigt försämrade då väte blandades med den. Detta skedde framförallt i
vevhuset, då pga vätets låga densitet, lyckades sugas ner och beblandas[34]. En annan
nackdel med motoroljan är att den bidrar till utsläpp. Mängderna är små, men inte obe-
tydliga. När tester gjordes genom att använda en dieselmotor som drevs med väte så var
maximala kolemissionerna ca 1,08 g/h pga smörjning[35]. Detta är dock betydligt
mindre än vad som förekom med dieselbränsle.
5.4 Gasreglage
För att öka verkningsgraden i motorn så bör gasspjället vara helt öppet då man gasar för
att få in så mycket luft-väteblandning som möjligt. Detta kommer att behövas även vid
låga och medelmotorbelastningar. Syftet är att minska mängden oförbränd väte och
minska NOx-emissioner. Vanligtvis är gasspjället kopplat direkt mekaniskt med gaspe-
dalen, men då öppnar sig gasspjället olika mycket beroende av hur mycket föraren ga-
sar. I detta fall erfordras maximalt öppet gasspjäll oavsett hur mycket gasreglaget änd-
ras. En lösning till detta är att gasspjället regleras elektroniskt[12].
5.5 Vevhus
Då gasspjället är maximalt öppet ökar trycket i insuget. Tryckskillnad uppstår mellan
vevhus och insug. Vätet har då ännu lättare att sugas ner i vevhuset. För att undvika det
kan ventilationsventiler monteras på vevhuset[12].
5.6 Material
De vanligaste materialen i motorer är stål och aluminium. Stål är vanligare i de inre de-
larna. Väte i kombination med stål leder till försprödning av stålet. Problemet återfinns
inte bara i motorn utan även i behållaren för väte ombord på fordonet (se kapitel 6).
Detta kan leda till stor skada på motorn därmed förkortas livslängden. Det kan gå så
långt att brott sker i både enskilda komponenter och i motorväggar/rör. Försprödningen
sker på tre olika sätt[36,37]:
Försprödning pga reaktion med väte: Genom de kemiska reaktioner som stålet
utsätts för genom luft och vatten så bildas med tiden ett lager av väte på ytan
som flagnar och material trillar bort.
Miljöförsprödning: Detta sker genom att metallytor absorberar vätemolekyler i
väteatmosfärer, t. ex. vätebehållare eller förbränningskammare.
Intern väteförsprödning: Vid tillverkning av stål så kan väte blandas in i smält-
processen och efter en viss tid börjar försprödningen inifrån stålet. Hur snabbt
detta går beror på vätekoncentration, temperatur och vilka spänningar stålet ut-
sätts för.
Det som händer med järnlegeringar i kombination med väte är att de elastiska egen-
skaperna blir helt omvända, materialet förlorar sin form och dessutom minskar de mag-
14
netiska egenskaperna (ointressant motorfallet)[38]. Hur skadligt väte är mot stålet beror
helt på hur det är behandlat (härdat), vilken halt järn/kol, spänningar i stålet osv. De
ståltyper som främst används för att minimera risken för försprödning är olika typer
utav rostfritt stål eftersom att de klarar sig bäst. Väte har även denna effekt på andra
metaller. En metall som är väldigt känslig är titan, så det bör helt undvikas[37,39]. De
metaller som klarar sig betydligt bättre är aluminium/aluminiumlegeringar, kopparlege-
ringar och koppar-beryllium. Det finns en metallegering som har tagits fram enbart för
att magasinera väte. Den består av skandium, aluminium och magnesium. Legeringen är
både motståndskraftig mot oxidation och absorption av väte[40].
6 Förvaring av väte ombord Det finns primärt två sätt att förvara vätet ombord på fordonet. Antingen väte i kompri-
merad gasform eller i kryogenisk (fysiska ä - f f
alternativen kräver någon typ av trycksatt behållare som klarar av att hålla kvar vätet
utan att det pga sin låga densitet (0,089 kg/m3 vid 273 K[14]) sprids ut i omgivningen.
Andra krav är att behållaren ska vara styv och kunna vara intakt även vid en eventuell
deformation eller stötar, motstå försprödning och vara lätt. Ett tredje alternativ finns.
Det är att använda sig utav metaller eller legeringar som lätt absorberar väte på sin yta.
Metoden anses inte intressant då volymen väte i förhållande till vikten av lagringsme-
diumet inte går att jämföra med en behållare[41].
6.1 Gasform
Då väte lagras i komprimerad gasform sker detta vanligtvis vid 350 eller 700 bar, ju
högre tryck desto högre densitet. I en applikation som har byggts erhölls följande kon-
struktion. Behållaren består av ett skal av kolfiber och strukturen av HD-PE. Tanken
vägde ca 19 kg och kunde transportera 5,6 kg väte[42]. Energiinnehållet i väte är 141,86
MJ/kg eller 8,49 respektive 4,5 MJ/dm3[43] beroende på flytande eller komprimerad
form. Då densiteten för väte är låg är inte volymen intressant, utan energiinnerhåll per
massenhet. Alltså måste så stor massa som möjligt tas med. Detta betyder att vid kom-
primering av gasen ökar densiteten och därmed fås mer energi ombord. Densiteten för
komprimerat väte vid 700 bar är 27 g/dm3. Nackdelen med väte i gasform är att när väte
komprimeras och sprutas in i en behållare ökar temperaturen och därmed minskar densi-
teten, alltså fås inte den densitet som önskas. Ett annat problem är att ju mer gasen
komprimeras desto större potentiell mekanisk energi fås, ungefär 0,6 kWh/kg. Vid
eventuellt deformation eller annan typ av felaktighet kan kraftiga explosioner ske[41].
6.2 Flytande form
Väte i kryogenisk f f - Beroende på trycket vid denna tem-
peratur så fås olika densitet, t. ex. vid 1 bar; 70 g/dm3 och vid 240 bar; 87 g/dm
3[44].
Trycket kan dock inte ökas för mycket. Flytande väte blir nämligen instabilt vid cirka
13 bar. Brukligt enligt följande exempel är därför att liga runt 1 bar. Ett exempel på be-
hållare som har byggts är följande, en 9,5 mm tjock aluminiumstruktur med ett skal av
15
10 mm tjock kolfiber, däremellan finns en isoleringsspalt med vacuum. Slutligen ligger
ett skal av 3 mm tjockt rostfritt stål utanpå. Det är viktigt med många lager för att kunna
isolera det flytande vätet ifrån värme. Enligt BMW som har gjort en liknande behållare
motsvarar deras vacuumspalt ca 17 m frigolitisolering[45]. Behållaren klarar av att
frakta 10,7 kg väte och väger totalt ca 123 kg. Figur 7 illustrerar behållaren[44]. Förde-
len med flytande väte är att högre densitet vid lägre tryck kan fås än i gasform. På så
sätt fås mer energi ombord vilket resulterar i en längre räckvidd för fordonet. Nackde-
larna är trots de framsteg som har gjorts för att förbättra isoleringen ifrån värme, så till-
strömmar en viss mängd värme hela tiden. Detta betyder att vätet avdunstar och för-
svinner ut i omgivningen. Om fordonet inte körs på några dagar så måste behållaren
ventileras på vätgas genom en ventil. Detta behövs vanligen efter 3-5 dagars inaktivitet.
Efter ytterligare några dagar kan i stort sett hela tanken ha tömts på väte. Ett annat pro-
f - h -240 C. Detta
medför att behållaren inte kan fyllas till max. Man måste lämna cirka 5-15% av voly-
men för eventuell gasbildning. Om behållaren fylls maximalt och vätgas bildas så ökar
trycket och tanken kan explodera[41].
Figur 7. 3D-bild över hur behållaren för flytande väte är uppbyggd[46].
Energi ombord beroende på vätets tillstånd och behållare kan då beräknas utifrån de
data som har fåtts. Väte hade ett energiinnerhåll på 141,86 MJ/kg. Massan väte i kom-
primerad form var 5,6 kg och behållaren vägde 19 kg. Behållaren för flytande väte
kunde lasta 10,7 kg väte medan behållaren vägde 123 kg. Detta betyder att:
141,86MJ / kg 5,6 kg = 794,4 MJ (6.1)
141,86MJ / kg 10,7 kg = 1 517,9 MJ (6.2)
Vilket medför att det är störst andel energi ombord på fordonet med flytande väte. Å
andra sidan så väger behållaren betydlig mer för det flytande vätet vilket betyder att:
794,4MJ
41,8 MJ / kg19 kg
(6.3)
1517,9MJ
12,3 MJ / kg123 kg
(6.4)
Alltså är andelen energi per kg behållare större ombord med komprimerad vätgas. Där-
emot så har komprimerad vätgas betydligt lägre densitet än flytande väte och behöver
16
större volym på behållaren. Komprimerad vätgas har densiteten 27 g/dm3 vid 700 bar
och flytande ca 70 g/dm3 vid 1 bar. Vilket betyder att:
3
3
5,6 kg 1000207,4 dm
27 g / dm
(6.5)
3
3
10,7 kg 1000152,9 dm
70 g / dm
(6.6)
Detta medför att tanken för komprimerat väte behöver en ca 36% större volym relativt
flytande väte, trots hälften så stor massa väte.
6.3 Inmatning av väte till motor
Oavsett vilken typ av aggregationstillstånd som vätet har i behållaren så förbränns vätet
i gasform. Detta betyder att ledningar mellan behållare och motor måste vara helt täta,
framförallt skarvar. Tätningen av ledningarna kan t. ex. förstärkas genom att ha dubbel-
väggar[8]. Tillförsel av bränsle till förbränningsmotorer sker vanligtvis med en bränsle-
pump. I fallet med väte behövs inte det. Ingen extern utrustning används utan endast
tryckskillnaden mellan motor och behållare. Då trycket är mycket högre i behållaren än
i motorn är detta inget problem.
När flytande väte ska bli till gasform genomförs en förångningsprocess. Detta sker ge-
nom att det flytande vätet åker igenom en värmeväxlare där förångningen sker med
hjälp av motorns kylvatten som värmer upp det flytande vätet[8,47]. Detta åskådliggörs
i figur 8. Enligt BMW:s konstruktion så sprutar insugsventilerna in en volym väte bero-
ende på motorns varvtal, motormomentet, tryck och temperatur. Dessa faktorer styrs i
sig utav gaspedalens läge.[47].
6.4 Tankning av väte
Det finns olika sätt att bygga tankstationer. Ett är att ha kompressorer som komprimerar
vätgasen vid produktionsanläggningen sedan transporterar tankbilar den komprimerade
vätgasen till pumpanläggningar som har samma tryck. Ett annat sätt är att flytande väte
körs till bränslestationerna och sedan används ett flertal kryogeniska behållare som
värms upp som sedan går genom en värmeväxlare och förångas. Det tredje sättet är att
ha flytande väte i tankanläggningarna och då fraktas det även till stationen flytande[48].
7 Säkerhet Säkerheten kring väte är viktig. Det gäller att hålla alla system innehållande väte intakta
vid eventuella kollisioner. Detta för att undgå explosioner och brandfara. Det är även
farligt att få in väte i kupén för att inga kemiska reaktioner ska inträffa eller inandning
av gasen. Det gäller då att konstruera infrastrukturen för vätet ombord att klara av de-
formationer och att täta ledningar och dylikt. Det gäller även att ha viss kringutrustning
så som sensorer.
17
Figur 8. Översikt över system med behållare för flytande väte[8].
7.1 Sensorer
För att märka ifall väte läcker ur bränslesystemet behövs någon typ av sensorer och ett
referensvärde för dessa. Ett referensvärde skulle kunna vara att det finns 1% väte i luf-
ten. Detta kan jämföras med att en väte-luftblandning brinner vid 4% koncentration av
väte. Alltså skulle det vara tillräckligt med 1% som referensvärde. Typer av sensorer är
elektrokemiska, katalysatorer, värmekonduktivitet, resistans, arbete, mekaniska, akus-
tiska och optiska. Krav på sensorer kan t. ex. vara[12,49]:
känslighet med maximalt fel kring 5 – 10%
robusthet mot yttre faktorer som temperatur, tryck och fukt
lång livslängd
liten storlek
snabb responstid
Placering av sensorer görs på kritiska platser. Detta är framförallt kring vätebehållare
och ledningarna fram till motorn samt inne i kupén. Beskrivning av hur de olika typerna
av sensorer fungerar finns i bilaga 3.
7.2 Åtgärder
När en sensor utlöser ett larm äger ett antal åtgärder rum. Det utfärdas varningar till
föraren genom instrumentpanelen. Andra praktiska händelser är att fläktar sätter igång
på luften genom aktiv ventilation. Mer direkta åtgärder är avstängning av system. Det
kan t. ex. vara startrelän som inaktiveras eller att vätetillförseln från behållaren stryps.
En annan förebyggande åtgärd är att upprätta utbildningar för köpare av vätebilar för att
minska risker vid trafikolyckor med väte inblandat och för att få förståelse för hur väte
kan uppföra sig i jämförelse med andra bränslen[12].
8 Dagens lösningar
Redan från början på 1800-talet fram till dagens datum har ett flertal olika typer av for-
don med vätedrivna förbränningsmotorer fötts, men det har egentligen aldrig funnits
några kommersiella fordon. Det har varit prototyper och koncept. Försök att konvertera
18
redan existerande bilar har även gjorts för att påvisa tekniken[50]. Under 2000-talet
kom fordon som stadstjänstemän och andra beslutsfattande personer körde för att prova
på och demonstrera tekniken[12].
8.1 BMW Hydrogen 7
Sedan ca 30 år tillbaka är BMW den biltillverkare som har varit vägledande inom väte-
teknik för förbränningsmotorer. År 2000 kom en vätebil som byggde på 7-serien E38,
kallad 750hL. Bilen baserades på den då största motorn inom BMW. En V12:a på 5,4 L.
Bilen producerades i 15 exemplar[51], se figur 9. Några år senare, 2007 kom ännu en
vätebil ifrån BMW:s fabrik i München. Denna gång baserad på den nya modellen E65
med en något större V12:a på 6 liter, N73[52], kallad Hydrogen 7 eller E68, se figur 10.
Bilen fick ett visst genomslag och producerades i 100 exemplar[53,54].
Figur 9. BMW:s första vätebil baserad på 7-serien E38[47].
Figur 10. BMW Hydrogen 7[55].
Motormodifikationer
Då det inte fanns en utvecklad infrastruktur för väte så behölls bensinförbränning för
motorn. Tanken var även att få en längre räckvidd för fordonet. Fördelen med denna
motor var att den hade direkinsprutning som standard, vilket ger en högre verknings-
grad, högre effektuttag och lägre NOx-emissioner än vad insprutning via insug ger. Pro-
blemet var dock att även bensin fanns ombord, vilket gjorde att bensinen fick direktin-
sprutning, medan vätet sprutades in via insuget. Ett flertal modifieringar gjordes på mo-
torn och dess komponenter. Den första var att korta längden på vevstaken för att kunna
få en lägre kompression. Anledningen var att minska risken för onormal förbränning.
Kompromissen för detta blir lägre verkningsgrad och därmed lägre effektuttag. Nästa
modifiering var att montera ventilationsventiler för väte på vevhuset för att minska ris-
ken för baktändning. För att kunna köra motorn nära knackningsgränsen så användes
19
fördröjd tändtid. Detta medför ökad avgastemperatur som ger förhöjd påfrestning på
avgasventilerna därför behövdes en extra tålig metallegering för ändamålet[8]. Stållege-
ringen var Nimonic, vilken består av nickel och krom och är en typ av rostfritt stål[56].
Motorblocket slitsades för att få mer kylning inne i cylindrarna. Kolvar och kolvringar
byttes ut mot mer trycktåliga för att klara av de tilltagande spänningarna orsakade av
ökande temperaturer och tryck vid förbränning av väte. En olja som tålde vattenånga
och var lämpad för väteförbränning användes. Bilaga 4 visar jämförelsedata för bensin-
varianten och den modifierade motorn[8].
Lagring av bränsle
BMW Hydrogen 7 lagrar flytande väte ombord på fordonet. Detta för att kunna få en
större massa väte ombord, mindre volym på bränsletanken och därmed en högre mängd
energi i förhållande till vad som skulle förmåtts med komprimerad vätgas. Kapaciteten
är 8 kg väte. Det finns även en bensintank på 74 liter[8,57], se figur 11 för placering av
komponenter.
Figur 11. Drivlinan för BMW Hydrogen 7. 1. Bränsletank för väte 8kg, 2. Bensintank 74 liter, 3. Tryckkontrollventil,
4. Förbränningsmotor. Noterbart är även de två tankluckorna, en till bensin och en till väte[57].
Insprutningsstrategi
Insprutningsstrategin delades upp i tre moder[8].
1. Hög motorlast: Stökiometrisk luft-bränsleblandning (λ=0,97), följden är maxi-
mal effekt och vridmoment. Strategin medför dock NOx-utsläpp, vilka reduce-
ras med trevägskatalysator.
2. Låg motorlast: Mager luft-bränsleblandning används, λ > 1,8. I denna mod fås
inte maximal effekt eller vridmoment, men NOx-utsläppen är nästan obefintliga.
3. Den tredje moden används inte, då det är när 0,97< λ <1,8. Som tidigare nämnts
fås vid förbränning av luft-bränsleblandning i detta område störst mängd NOx-
utsläpp och därmed undviks.
Utsläpp
Utsläppssubstanser är vattenånga, NOx och små mängder kolväten från smörjning av
motorn. När insprutningsstrategin enligt de tre moderna används fås väldigt låga NOx-
emissioner. Enligt BMW underskrider den 70% av SULEV[8]. SULEV är en klassifice-
ring för fordon som har låga utsläppsemissioner. Definitionen för att få vara ett SU-
LEV-fordon ska fordonet minska sina emissioner med 90% jämfört med ett liknande
fordon[58]. Detta betyder att BMW Hydrogen 7 släpper ut 3% av vad BMW 760i gör.
20
Prestanda och förbrukning
Då kompromisser har gjorts mellan bensin- och väteförbränning samt minskat emiss-
ioner fås inte de optimala prestanda som skulle kunna uppnås. Den ursprungliga motorn
med bensin uppnådde en effekt på 439 hk och vridmoment på 600 Nm[59], vilka är
ganska höga prestandavärden. Efter konverteringen uppnåddes 260 hk och 390 Nm[8],
se bilaga 5. Accelerationen mellan 0-100 km/h klarades av på 9,5 sek och topphastig-
heten elektroniskt begränsad till 230 km/h[8]. Detta kan jämföras med bensinvarianten
som klarade accelerationen på 5,5 sekunder[59]. Följande värden motsvarar blandad
körning. Bensinförbrukningen låg på ca 1,39 liter/mil och väte ca 0,36 kg/mil. Väte-
mängden motsvarar en förbrukning på 1,3 liter/mil[8]. Alltså lägre förbrukning med
väte. Bränslena ombord motsvarar en total räckvidd på 68 mil varav väte ca 20 mil och
bensin ca 48 mil. Hydrogen 7:s prestanda skulle kunna förbättras enligt BMW om en-
bart en vätemotor hade använts. Motorns vikt skulle kunna reduceras ca 10%. Framför-
allt genom den viktökning som sker med extra bränsletankar och motorkomponenter.
Överladdning skulle dessutom kunna användas[8].
9 Jämförelse mellan konventionell och vätedriven förbrän-
ningsmotor För att få en uppfattning av vad en vätedriven förbränningsmotor kan prestera görs en
jämförelse med fordon som har konventionell motorteknik.
9.1 Utsläpp
Konceptet med en vätemotor är att minska CO2-utsläpp. Detta jämförs från produktion
till motoravgaser. Vätebilen släpper inte ut någon CO2, bara vattenånga. Med dagens
väteframställning släpper en BMW Hydrogen 7 ut ca 1080 gram CO2/mil genom hela
kedjan, se kapitel 2.2. När det kommer till bensin-/dieseldriven motor så varierar det
beroende på bränsle, storlek och motor. För att få en korrekt jämförelse, ska en storklass
BMW användas som producerar ungefär samma effekt och vridmoment som Hydrogen
7. Vätebilen har 260 hk och 390 Nm. BMW 7-serien skulle vara bäst att jämföra med
men dess motorer utvecklar en betydligt större effekt och vridmoment än Hydrogen 7
och är därför inte jämförbara.
Bensin
Ett jämförbart bensinfordon är 530i. Motorn är sexcylindrig på 3 L och har direktin-
sprutning[60]. Motorn producerar 272 hk och 310 Nm. Enligt tillverkare fås ett utsläpp
på 182-177 g/km = 1820-1770 g/mil[61]. Redan i avgaserna är CO2-utsläppen ca 80%
större än för en Hydrogen 7. Raffinaderierna släpper även ut CO2. Här väljs data ifrån
Preems raffinaderier. Enligt deras data släpps 0,41 ton/m3 = 410 kg/m
3 CO2 ut från pro-
duktionen[62]. Enligt BMW är förbrukningen vid blandad körning 0,77 liter/mil =
0,00077 m3/mil[61]. Detta betyder att:
3 30,00077 m / mil 410 kg / m 0,3157 kg / mil 316 g / mil . (9.1)
21
Den totala mängden utsläppt CO2 är då 2136 - 2086 g/mil. Detta motsvarar ungefär
100% mer CO2 än för vätemotorn.
Dieselbränsle
Ett jämförbart dieselfordon är 530d. Motorn är en sexcylindrig motor på 3 L. En fördel
som dieselmotorn har jämfört med bensin/vätemotorn är att överladdning används i
form av dubbla avgasturbos[60]. Den utvecklar 258 hk och 560 Nm. Då motorn är en
diesel så är maximala vridmomentet mycket större än för Hydrogen 7. Så kommer vara
fallet för alla dieselmotorer från BMW. Tillverkarens siffror anger att CO2-utsläppens
storlek är 155-149 g/km = 1550-1490 g/mil[63]. Dieselmotorn är snällare än bensin,
men släpper ut ca 50% mer än vätebilen. I produktionen av diesel varierar CO2-utsläpp,
men som värst är utsläppet 0,41 ton/m3
= 410 kg/m3[64]. Motorn förbrukar
0,57 liter/mil = 0,00057 m3/mil[63]. Detta betyder:
3 30,00057 m / mil 410 kg / m 0,2337 kg / mil 234 g / mil (9.2)
Totalt CO2-utsläppet är cirka 1784-1724 g/mil. Jämfört med vätemotorn är detta en ök-
ning med ca 75%. Utsläppsemissioner av NOx går att se i bilaga 6.
9.2 Prestanda och förbrukning
Analysen ovan visar att vätemotorns utvecklade effekt och vridmoment relativt motor-
storleken är låg. Vätemotorn är en V12:a på 6 liter och både bensin- och dieselmotorn
var raka sexor på tre liter. Effekt och vridmoment för en V12:a på 6 liter från BMW
idag, skulle utveckla 544 hk och 750 Nm. Detta faktum ger sämre accelerationstider och
topphastighet för vätebilen jämfört med bensinbilen. Förbrukningen mellan dessa moto-
rer är jämförbara ca 1,3 liter/mil[65]. Om däremot förbrukningen jämförs mellan bensin,
diesel och väte så är förbrukningen; 0,77 liter/mil, 0,57 liter/mil och 1,3 liter/mil. Väte-
motorn är törstig relativt dess prestanda.
10 Diskussion och slutsatser Det finns helt klart möjligheter att kunna utnyttja väte som ett bränsle i framtida fordon.
Det som talar för är framförallt den direkta utsläppsvinningen och att väte är en i stort
sett oändlig resurs. Inga CO2-emissioner eller andra kolrelaterade utsläpp. Andra ut-
släpp är NOx-emissioner, men som kan reduceras till i stort sett noll genom bl. a. mager
insprutningsstrategi och katalysator. I ett längre perspektiv med indirekta CO2-källor så
är utsläppen höga i dagsläget. Framställningen av väte sker till största del med naturgas
med låg verkningsgrad. Denna typ av metod är inte något för framtida miljöförändring-
ar. Framtida metoder med bl. a. vattensplittring skulle kunna minska utsläppen helt om
ett billigare sätt för att skapa höga temperaturer återfanns och gav högre verkningsgrad.
Utsläppen skulle kunna reduceras redan idag genom att använda andra energikällor t.
ex. spillvärme från kärnkraftverk. Det som även talar emot väte är infrastrukturen. Det
finns t. ex. inga tankstationer i dagsläget. En uppbyggnad skulle kunna göras genom
samarbeten. BMW är en aktör som söker samarbeten för att utveckla en sådan infra-
22
struktur. För att lyckas bygga en sådan infrastruktur måste dock samhället gå med på
detta och bidra till en utbyggnad. Detta leder till höga samhällsomkostnader och därför
behöver beslutstagare få mer information och insikt i framtida väteinfrastrukturer.
Antalet bilar i världen ökar ständigt. Självständigt skulle väte inte kunna driva alla dessa
fordon. Det finns ingen tillverkningskapacitet för detta. Det skulle dock antagligen till
en viss del kunna gå att bygga ut i framtiden. Väte kan alltså inte vara den enda lösning-
en på problemet med fossila bränslen. Det är en pusselbit, sedan måste andra bränslen
och energikällor också utvecklas för att kunna tackla den ökande transportvolymen i
världen.
Tekniska fördelar är att nuvarande förbränningsmotorteknik kan användas med några få
modifikationer. Detta ger en billig och någorlunda lätt implementering redan i nuläget.
Tekniska problem är framförallt de egenskaper som kommer med väte, dvs. onormal
förbränning samt försprödning av material. Detta kan förebyggas med hjälp av olika
motortyper, insprutningsstrategier och nya metallegeringar. Att använda en kombination
av mager och stökiometrisk förbränning är att föredra då detta resulterar i små eller noll
NOx-emissioner vid låga motorlaster. Då effekt behövs ändras strategin till den stö-
kiometriska och sedan tillbaka igen. Detta minimerar NOx och därmed miljöpåverkan,
men förlorar ändå inte prestanda då den behövs. Det handlar även om att kunna erhålla
en hög verkningsgrad. Verkningsgraden är beroende av vilken motortyp och kompress-
ion som används. Den motor som har visat sig vara bäst fungerande är direktinsprutad
ottomotor med en 19% ökning av effektuttaget jämfört med en bensindriven, men pro-
blem med hög temperatur och tryck som leder till kort livslängd på komponenter samt
korta blandningstider har lett till att en sådan motor inte finns i bruk. Den vanligaste
metoden är därför insprutning via insug. Det har också diskuterats kring i vilket tillstånd
som vätet ska befinna sig i ombord på fordonet. Det verkar som att flytande väte är det
bästa alternativet för att få högt energiinnehåll per massenhet och minskad volym på
tanken. Problemet med detta är huruvida kylning ska ske efter att motorn har stängts av.
En idé skulle kunna var att ha någon typ av kylsystem som används då fordonet är par-
kerat. Räckvidden är även den problematisk. Hydrogen 7 har en räckvidd på 20 mil.
Den skulle antagligen behöva trefaldigas för att framtida kunder ska tillfredställas. Det
kommer dock finnas plats för mer väte ombord om fordonet helt baseras på väte. I dags-
läget finns även 74 liter bensin ombord. Denna volym skulle kunna utnyttjas av enbart
väte. En annan nackdel är att viss kringutrustning behövs för att förånga det flytande
vätet in till motorn. Enligt de tester som har gjort så kan inte de prestanda som ben-
sin/diesel motorer har idag fås, men denna jämförelse har gjorts för fordon med motorer
tillämpade för bensin och väte. Det finns ännu inte ett kommersiellt fordon med en
renodlad vätemotor. Om en sådan skulle göras borde prestandan kunna förbättras ge-
nom reducerad vikt, men även genom att optimera motorer helt efter väte och inte ge-
nom kompromisser. Denna utveckling tycks dock ligga på is då andra alternativ verkar
mer intressanta för fordonstillverkarna då nackdelarna anses väga tyngre än fördelarna.
23
Referenser [1] http://www.energimagasinet.com/em00/nr7_03/vatgasens.asp, 2013-04-11
[2] http://www.vatgas.se/fakta/produktion, 2013-04-11
[3] Forsberg C. W., Hydrogen, nuclear energy, and the advanced high-temperature re-
actor, Oak Ridge National Laboratory, International journal of hydrogen energy 28,
2003
[4] Dincer I., Zamfirescu C., Sustainable hydrogen production options and the role of
IAHE, Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of
Technology, International journal of hydrogen energy 37, 2012
[5] Khamis I., An overview of the IAEA HEEP software and international
programmes on hydrogen production using nuclear energy, International atomic energy
agency, International journal of hydrogen energy 36, 2011
[6] http://www.svenskenergi.se/Elfakta//Miljo-och-klimat/Klimatpaverkan/, 2013-04-12
[7] http://sv.wikipedia.org/wiki/Elbil, 2013-04-12
[8]Enke W., Gruber M., Hecht L., Staar B., The bi-fuel V12 engine of the new BMW
Hydrogen 7, MTZ nr 6, 2007
[9] Schindler J., Wurster R., Zerta M., m fl, Where will the energy come for hydrogen
production come from?, European hydrogen association, German hydrogen and fuel cell
association, 2007,
http://www.lbst.de/publications/studies__e/2007/EHA_WhereWillH2ComeFrom_2007.
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_production, 2013-04-17
[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density, 2013-04-20
[12] Verhelst S., Wallner T., Hydrogen-fueled internal combustion engines, Department
of flow, heat and combustion mechanics, Ghent university m fl., Progress in energy and
combustion science 35, 2009
[13] Schefer, R. W., mfl, Lean hydrogen combustion, kapitel 8, 2008, USA
[14] http://www.simuquest.com/sites/default/files/u6/engine_labeled_sm.png, 2013-04-
19
[15] Enghag P., Encyclopedia of the elements: Technical Data - History - Processing –
Applications, s. 218, Wiley-VCH, USA, 2008
[16] http://en.wikipedia.org/wiki/Stoichiometry#Stoichiometry_of_combustion, 2013-
04-03
[17] Wallner T., Lohse-Busch H. mfl, Fuel economy and emissions evaluation of a
BMW Hydrogen 7 mono-fuel demonstration vehicle, International journal of hydrogen
energy 33, 2008
[18]http://climatetechwiki.org/sites/climatetechwiki.org/files/images/teaser/direct%20in
jection.jpg, 2013-04-19
[19] White C.M, Steeper R.R, Lutz A.E, The hydrogen-fueled internal combustion en-
gine: a technical review, International journal of hydrogen energy 31, 2006
24
[20] Williams F.A., Detailed and reduced chemistry for hydrogen autoignition, De-
partment of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, Journal
of loss prevention in the process industries 21, s.131-135, 2008
[21] http://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_fuel, 2013-04-26
[22] http://4.bp.blogspot.com/-
NB2gBSgmsw4/TaP6dTSnjgI/AAAAAAAAADQ/qJ11YLFY3_A/s1600/differences.J
PG, 2013-04-19
[23] Naber J.D, Siebers D.L, Hydrogen combustion under Diesel engine conditions,
Combustion Research Facility USA, International journal of hydrogen energy 23, s.363-
371, 1998
[24] http://en.wikipedia.org/wiki/Exhaust_gas_recirculation, 2013-04-04
[25] en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen, 2013-04-04
[26] en.wikipedia.org/wiki/Flame_speed, 2013-04-04
[27] http://en.wikipedia.org/wiki/Pre-ignition#Pre-ignition, 2013-04-04
[28] Zhenzhong Y., Qunyan T., Xueying X., Research on pre-ignition of hydrogen
fueled engines base on the pressure rise rate, International Conference on Digital Man-
ufacturing & Automation Dec vol 2, 2010
[29] Boubai O., Knock detection in automobile engines, IEEE Instrumentation & Meas-
urement Magazine vol 3, 2000
[30] http://4.bp.blogspot.com/-
6QcoKjCT_fU/T6IW6sVBGNI/AAAAAAAABaM/4Z7h6difwp4/s1600/engine-
knockin.gif, 2013-05-06
[31] http://en.wikipedia.org/wiki/Octane_, 2013-04-05
[32] Attar A.A, Karim G.A, Knock rating of gaseous fuels, Department of Mechanical
and Manufacturing Engineering, University of Calgary, Journal of engineering for gas
turbines and power vol 125, 2003
[33] http://en.wikipedia.org/wiki/Spark_plug#Heat_range, 2013-04-07
[34] Verhelst S., Sierens R, Hydrogen engine-specific properties, Laboratory of
Transporttechnology, Gent University, International journal of hydrogen energy 26,
2001
[35] Miller A. L., Stipe C. B., Habjan M. C., Ahlstrand G. G., Role of lubrication oil in
particulate emissions from a hydrogen-powered internal combustion engine, National
Institute for Occupational Safety and Health, Spokane, Washington m fl., American
Chemical Society, Environmental science & technology 41, 2007
[36] Tiwari G.P. Bose A m fl., A study of internal hydrogen embrittlement of steels,
Metal Physics Section, Materials Science Division, Bhabha Atomic Research Centre m
fl, Materials Science & Engineering A 286, 2000
[37] Madina V., Azkarate I., Compatibility of materials with hydrogen. Particular case:
Hydrogen embrittlement of titanium alloys, INASMET-Tecnalia, International journal
of hydrogen energy 34, 2009
[38] Skryabina N., Mechanical instability in amorphous metal alloys–hydrogen systems,
Perm State University, Journal of alloys and compounds 356, 2003
25
[39] Dadfarnia M., Novak P., Ahn, AC., m fl., Recent Advances in the study of structual
materials compatibility with hydrogen, Wiley-VCH, 2010
[40] Sahlberg, M., Beran, P. m fl. A new material for hydrogen storage; ScAl0.8Mg0.2,
Journal of Solid State Chemistry 11, 2009
[41] Aceves S. M., Berry G. D., m fl, Vehicular storage of hydrogen in insulated pres-
sure vessels, Lawrence Livermore National Laboratory, International journal of hydro-
gen energy 31, 2005
[42] Hua T.Q, Ahluawalia R.K, m fl, Technical assessment of compressed hydrogen
storage tank systems for automotive applications, Argonne National Laboratory, TIAX
LLC, International journal of hydrogen energy 36, 2011
[43] http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density, 2013-04-20
[44] Hua T.Q, Ahluawalia R.K, m fl, Technical assessment of cryo-compressed hydro-
gen storage tank systems for automotive applications, Argonne National Laboratory,
TIAX LLC, International journal of hydrogen energy 35, 2010
[45] http://www.automotorsport.se/artiklar/nyheter/20060913/forst-i-varlden-bmw-7-
med-vatgasdrift, 2013-03-22
[46] Aceves S. M., m fl, High-density automotive hydrogen storage with cryogenic ca-
pable pressure vessels, Lawrence Livermore National Laboratory, International journal
of hydrogen energy 35, 2010
[47] Schüers A., Abel A., m fl, 12-Cylinder hydrogen engine in the BMW 750hL, MTZ
2, 2002
[48] Petitpas G., Aceves S.M., Gupta N., Vehicle refueling with liquid hydrogen thermal
compression, Lawrence Livermore National Laboratory, International journal of hydro-
gen energy 37, 2012
[49] Hübert T, Boon-Brett L, Black G, Banach U, Hydrogen sensors – a review, Sen-
sors and actuators B: chemical 157, 2011
[50] Aceves S.M., m fl, High-density automotive hydrogen storage with cryogenic ca-
pable pressure vessels, Lawrence Livermore National Laboratory, 2010
[51] http://de.wikipedia.org/wiki/BMW_Hydrogen_7, 2013-04-17
[52] http://en.wikipedia.org/wiki/BMW_N73, 2013-04-18
[53] http://en.wikipedia.org/wiki/BMW_7, 2013-04-16
[54] http://www.automotorsport.se/artiklar/nyheter/20060913/forst-i-varlden-bmw-7-
med-vatgasdrift, 2013-03-22
[55]
http://www.bmw.com/com/en/insights/technology/efficient_dynamics/phase_2/clean_e
nergy/_shared/img/overview.jpg, 2013-04-16
[56] http://sv.wikipedia.org/wiki/Nimonic, 2013-04-18
[57] http://news.bbc.co.uk/2/hi/6154212.stm, 2013-03-22
[58] en.wikipedia.org/wiki/SULEV, 2013-04-18
[59] http://en.wikipedia.org/wiki/BMW_7_Series, 2013-04-18
[60] http://content.bmw.se/static/kataloger/F10/pdf/5series_saloon_catalogue.pdf, 2013-
04-19
26
[61]
http://www.bmw.se/se/sv/newvehicles/5series/sedan/2010/showroom/technical_data/ind
ex.html, 2013-04-19
[62]
http://preem.se/templates/page____11406.aspx#/product/Bensin+95+max+5%25+etano
l/quantity/0, 2013-04-19
[63]
http://www.bmw.se/se/sv/newvehicles/5series/sedan/2010/showroom/technical_data/ind
ex.html, 2013-04-19
[64]
http://preem.se/templates/page____11406.aspx#/product/ACP+Evolution+Diesel+max+
7%25+RME+%28V%29/quantity/0, 2013-04-19
[65] http://www.bmw.se/se/sv/newvehicles/7series/sedan/2012/showroom/technical-
data/index.html, 2013-04-19
[66] Rahman M.M., Kamil Mohammed, Bakar Rosli A. Engine performance and opti-
mum injection timing for 4-cylinder direct injection hydrogen fueled engine, Automo-
tive Engineering Centre, Faculty of Mechanical Engineering, University of Malaysia,
Simulation modeling practice and theory 19, 2011
[67] http://www.car-emissions.com/cars/view/45030, 2013-04-19
[68] http://www.car-emissions.com/cars/view/45036, 2013-04-19
27
Bilaga 1, Insprutningshastighet
Ett test på en vätedriven fyrcylindrig förbränningsmotor visar att mängden väte som
behövdes sprutas in var 22 mg/cykel under 4,4 ms vid direktinsprutning för att få till-
räckligt med tid för att hinna blanda en homogen blandning mellan luft och väte. Detta
var mellan 2000 till 6000 varv/min[66]. Detta beräknas till mängden väte per sekund
enligt (10.1):
0,0225 /
0,0044
gg s
s (10.1)
alltså behövs det sprutas in 5 g/s väte i motorn vid direkinsprutning och detta sker vid
ett tryck av ca 100 bar[66].
28
Bilaga 2, Tryck som funktion av självantändningstemperatur
Beroende på trycket i omgivningen har en luft-väteblandning olika självantändnings-
temperatur. Detta åskådliggörs i figur 12.
Figur 12. Omgivningstryck som funktion av självantändningstemperatur för en luft-väteblandning[20].
29
Bilaga 3, Typer och funktion av sensorer
Följande sensortyper kan användas vid detektion av väte:
Katalysatorsensorer fungerar genom att vätet förbränns med syre på katalysatorns yta
och värme uppstår. Mängden väte kan då mätas pga att man känner till förbrännings-
värmet för väte.
Sensorer som bygger på värmekonduktivitet lämpar sig bra till väte då dess värmekon-
duktivitet är flera gånger större än luft. Principen bygger på värmeförluster från en varm
bit till en gas.
En elektrokemisk sensor känner t. ex. av förändringar i transporter av laddningar då ke-
miska reaktioner inträffar på en elektrod. Det är alltså en typ av elektrolyt som utförs.
Resistansbaserade sensorer bygger på att en metall ändrar sin resistans beroende på om
det skett någon kemisk reaktion.
Sensorer som bygger på arbete mäter hur mycket energi som behövs för att avlägsna en
elektron från en solid yta. Väte har lätt att bli absorberad av metaller och därför fungerar
detta på ett bra sätt.
Mekaniska sensorer fungerar genom att en metall absorberar väte och då expanderar
metallen vilket gör att spänningar uppstår i metallen. Dessa spänningar har så pass stor-
lek att de går att mäta.
Trots att väte är en transparant gas kan optiska sensorer användas. Detta pga att när väte
reagerar med ett material så ändras utseendet på materialet.
Slutligen så finns även akustiska sensorer som känner av förändring i ljudvågor pga att
ett piezoelektriskt material har absorberat väte[49]. Ett annat sätt för föraren att se om
väte läcker ut är ju att kolla bränslemätaren. Den berättar ju dock inte om vätet som kan
läcka ut i ledningarna fram till motorn.
30
Bilaga 4, Tekniska data: BMW Hydrogen 7
BMW Hydrogen 7 bygger på BMW 760i. Efter att ha konverterat motorn till väte fås
några förändringar på tekniska data. Dessa ges i figur 13.
Figur 13. Jämförelsedata bensinmotor, BMW 760i och väte/bensinmotor, BMW Hydrogen 7[8].
31
Bilaga 5, Effekt/vridmomentskurva: BMW Hydrogen 7
Då BMW Hydrogen 7 körs vid olika varvtal fås olika storlekar på effekt och vridmo-
ment. Den maximala effekten och vridmomentet fås vid stökiometrisk förbränning,
λ=0,97. Figur 14 visar hur effekt och vridmoment varierar med motorvarvtal vid maxi-
mal last och λ=0,97.
Figur 14. Effekt/vridmomentkurva som funktion av motorns varvtal vid maximal motorlast och λ=0,97[8].
32
Bilaga 6, NOx-utsläpp
NOx-emissioner är i stort sett noll vid mager luft-bränsleblandning för BMW Hydrogen
7. När stökiometrisk förbränning används så fås ett visst utsläpp. Då mager- och stö-
kiometrisk förbränning kombineras fås det genomsnittliga värdet av emissionerna på
0,1% av avgaserna[8]. BMW 530i släpper ut 0,045 g/km[67] och BMW 530d släpper ut
0,142 g/km[68]. Noterbart är att dieselmotorn, 530d, släpper ut mest.